DE10234271B4

DE10234271B4 - Haltearm

Info

Publication number: DE10234271B4
Application number: DE10234271A
Authority: DE
Inventors: Klaus-Peter Brhel; Manfred Selig; Rudolf Ullrich
Original assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Priority date: 2002-07-27
Filing date: 2002-07-27
Publication date: 2005-12-15
Anticipated expiration: 2022-07-28
Also published as: DE10234271A1

Abstract

Haltearm, umfassend mindestens zwei hintereinander angeordnete und mit Kugelgelenken (2) gelenkig miteinander verbundene Armsegmente (1), wobei jedes der Kugelgelenke (2) ein Kugelelement (9) aufweist und diese mittels einer auf das Kugelelement (9) wirkende fluidische Klemmvorrichtung in jeder Position arretierbar sind, wobei die Klemmvorrichtung eine hydraulische Klemmvorrichtung mit mindestens einer hydraulischen Anschlussleitung (15) ist, wobei die Klemmvorrichtungen und die Anschlussleitungen (15) steif sind und ein abgeschlossenes Volumen bilden, in dem ein kompressionssteifes Fluid eingefüllt ist, sowie zusätzlich Mittel (3) für eine Verkleinerung des Volumens und zu einem Anspannen der Klemmvorrichtung vorgesehen sind, wobei die zusätzlichen Mittel (3) eine abdichtende Zustellschraube umfasst, welche in das Volumen hineinragend in dieses einschraubbar und herausschraubbar ist und am distalen Ende des Haltearms positioniert ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Haltarm, umfassend mindestens zwei hintereinander angeordnete und mit Kugelgelenken gelenkig miteinander verbundene Armsegmente sowie eine Haltevorrichtung gemäß Anspruch 9.

Haltevorrichtungen dienen der Fixierung von Instrumenten während eines Eingriffs und umfassen mindestens einen Haltearm. Im Gegensatz zu aktiven Manipulatoren sind diese Haltevorrichtungen passive Haltesysteme im Sinne von Stativen, welche, einmal eingestellt, während des Eingriffs im Allgemeinen nicht mehr verändert werden. Die Haltevorrichtung wird während des Eingriffs an geeigneter Stelle positioniert und weist hierfür einen Standfuß oder eine andere Befestigungsvorrichtung auf. An der anderen Seite des Haltearms ist eine geeignete Halterung zur Fixierung des Instrumentes vorgesehen. Für eine variable Ausrichtung des Instrumentes ist der Haltarm mit Gelenken ausgestattet. Für eine zuverlässige Fixierung müssen diese Gelenke versteifbar ausgelegt sein, wobei grundsätzlich eine geringe Anzahl der Gelenke sowie eine hohe Klemmwirkung die Stabilität der Fixierung maßgeblich beeinflussen.

Grundsätzlich unterscheidet man Haltevorrichtungen, deren Gelenke sich durch eine unverstellbare Widerstandskupplung, wie z.B. durch eine Rutschkupplung, einerseits oder durch einstellbare Klemmvorrichtung andererseits versteifen lassen.

Ein besonderes Einsatzfeld für Haltevorrichtungen und Haltearmen der eingangs genannten Art bietet die Chirurgie. Hier besteht die Aufgabe darin, ein chirurgisches Instrument wie z.B. ein Endoskop an vorbestimmter Position und Ausrichtung wackelfrei für eine beliebige Zeit zu halten.

Hierzu bieten sich mehrgelenkige Haltesysteme mit Klemmvorrichtungen zur Gelenkarretierung an. Die meisten bekannten Systeme weisen jedoch mechanisch aktivierbare Klemmvorrichtungen auf, bei denen die Gelenke einzeln durch Schauben, Stifte oder Hebelmechanismen arretierbar sind. Derartige Fixierungen haben jedoch den Nachteil, dass je nach Ausführung beim Arretieren eine mehr oder weniger große Arretierbewegung auftritt. Dies ist bei präzisen Einstellarbeiten, wie sie in der Medizintechnik, aber auch bei Messaufgaben allgemein vorkommen, problematisch und unerwünscht und erfordert in der Regel zeitaufwendige Nachjustierungen des Instrumentes.

Energetisch betriebene Klemmvorrichtungen, wie z. B. fluidische, elektromagnetische oder piezoaktorische Systeme, weisen bei entsprechender Auslegung diese Nachteile nicht auf, benötigen aber dafür eine eigene Energieversorgung, d.h. zusätzliche Aggregate. Fordert man für einen Einsatz einer Haltevorrichtung eine hohe Zuverlässigkeit einerseits und eine geringe Baugröße und damit ein gutes Handling andererseits, ist eine mechanische und elektrische Entkopplung von Haltesystem von allen Versorgungseinheiten praktisch unvermeidlich. In Folge dessen sind die erforderlichen zusätzlichen Aggregate separate Systeme in der Regel mit einem eigenen Energiebedarf (im Allgemeinen Netzanschluss).

In der DE 295 11 900 U1 wird eine manuell verstellbare Haltevorrichtung für Endoskope und Retraktoren offenbart. Sie weist einen Haltearm mit mehreren hintereinander angeordnete Armsegmente auf, welche mit Kugelgelenken gelenkig miteinander verbunden sind. Die Kugelgelenke sind über eine pneumatische Spannvorrichtung arretierbar, wobei die erforderliche Pressluftzufuhr über ein externes Steuergerät sichergestellt und über einen separaten Handschalter am Griff aktivierbar ist.

Ferner ist in der DE 691 06 701 T2 ein Haltearm mit auch mit hydraulisch arretierbaren Kugelgelenken beschreiben, wobei der hydraulische Druck über herkömmliche, d.h. externe Zufuhrmittel in den Haltearm eingeleitet wird.

Ausgehend davon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Haltearm mit einer fluidischen Klemmvorrichtung sowie eine mit diesem ausgerüstete Haltevorrichtung vorzuschlagen, welcher bzw. welche ohne ein externes Steuergerät auskommt.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch einen Haltearm gemäß des ersten Patentanspruchs sowie mit einer Haltevorrichtung unter Verwendung des Haltearms gemäß des neunten Patentanspruchs gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen des Gegenstandes nach Anspruch 1 sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 8 angegeben.

Die Aufgabe wird durch einen Haltarm, umfassend mindestens zwei hintereinander angeordnete und mit Kugelgelenken gelenkig miteinander verbundene Armsegmente, wobei jedes der Kugelgelenke ein Kugelelement aufweist und diese mittels einer auf das Kugelelement wirkende fluidische Klemmvorrichtung in jeder Position arretierbar sind, gelöst. Wesentliches Merkmals hierbei betrifft die Klemmvorrichtung, welche als eine hydraulische Klemmvorrichtung mit mindestens einer hydraulischen Anschlussleitung gestaltet ist, wobei die Klemmvorrichtungen und die Anschlussleitungen steif sind und ein abgeschlossenes steifes Volumen bilden. Das Volumen ist mit einem kompressionssteifen Fluid vollständig gefüllt. Ferner sind Mittel für eine Veränderung, d. h. einer Verkleinerung oder Vergrößerung des Volumens vorgesehen, womit dem Fluid ein Fluiddruck aufprägbar ist, welcher mit zunehmenden Druck ein Anspannen der Klemmvorrichtung bewirkt und bei abnehmenden Druck diese Anspannung wieder aufhebt.

Vorzugsweise enthält die hydraulische Klemmvorrichtung mindestens einem Kolben, welcher auf das Kugelelement wirkt und dieses gegen eine Kugelführung drückt. (Anspruch 2) Verkantungen oder exzentrische Krafteinleitungen vermeidet man entsprechend Anspruch 3 dadurch, dass der Kolben eine Achsensymmetrie um eine Symmetrieachse aufweist und sich entlang dieser in einer Führungsbahn bewegt, wobei sich die Symmetrieachse durch den Mittelpunkt des Kugelelementes verläuft. Die Angriffsfläche des Kolbens auf dem Kugelelement weist in Folge dieser Rahmenbedingungen ebenfalls eine Symmetrie zur Symmetrieachse auf, eine notwendige Bedingung also für eine exzentrische Krafteinleitung auf das Kugelelement. Die Kugelführung weist ebenfalls eine Achsensymmetrie um die Symmetrieachse auf, (Anspruch4) welche auch durch den Mittelpunkt des Kugelelementes verläuft.

Die Haltearme bestehen neben anderen Komponenten je nach Ausführungsform aus einen oder mehreren Armsegmenten. Vorzugsweise sind in diesen Armsegmenten die hydraulischen Anschlussleitungen integriert. Weisen die Armsegmente entsprechend Anspruch 5 Hohlräume auf, welche nach Außen hin verschlossen sind, können diese als integrierte anstelle der separaten hydraulische Anschlussleitungen gestaltet werden und dienen.

Es bietet sich an, ein Mittel für eine Verkleinerung des Volumens und für eine Anspannung der Klemmvorrichtung so zu gestalten, dass alle Kugelgelenke des Haltearms simultan geklemmt und wieder gelöst werden. Dadurch kann der Haltearm in besonders vorteilhafter Weise mit all seinen Freiheitsgraden eingestellt werden und in einer gewählten Stellung nur durch Betätigung eines Mittels arretiert werden. Konkret, bedeutet dies, dass die hydraulischen Klemmvorrichtungen alle an die eine Anschlussleitung angeschlossen werden und mit dieser ein abgeschlossenes Volumen bilden. Da die Kugelgelenke und die Armsegmente hintereinander angeordnet sind, müssen Überbrückungsleitungen vorgesehen sein, welche die hydraulischen Anschlussleitungen in zwei benachbarten Armsegmenten miteinander hydraulisch verbinden und dabei die Kugelgelenke überbrücken.

Alternativ können einzelne oder eine Gruppe von Klemmvorrichtungen mit eigenständigen Mitteln ausgestattet werden. Dies bietet sich dann an, wenn ein gehaltenes Werkzeug während ei nes Eingriffs in seiner Position in bestimmten Grenzen korrigiert werden muss oder die Stellung des Haltarms zunächst in einem ersten Schritt grob einzustellen ist und anschließend in einem zweiten Schritt mit erhöhter Präzision fein nachzustellen ist.

Die Erfindung wird anhand der folgenden Ausführungsformen mit Hilfe der folgenden Figuren erläutert. Es zeigen
1 eine Ausführungsform der Haltevorrichtung mit Haltearm in seitlicher Ansicht,
2 eine Schnittdarstellung einer Ausführungsform eines Kugelgelenks mit hydraulischer Klemmvorrichtung, sowie
3a bis c drei mögliche Anordnungen einer Zustellschraube zur manuellen Aktivierung der Gelenkarretierung.
Eine Haltearm der zuvor beschriebenen Art umfasst, wie in 1 anhand einer Ausführungsform dargestellt, mindestens zwei Armsegmente 1 mit hydraulisch arretierbaren Kugelgelenken 2 sowie einer Zustellschraube 3 mit abgedichteten Gewindegang. Die Zustellschraube 3 dient als das zuvor genannte Mittel für eine Verkleinerung des Volumens der Anschlussleitung für die Klemmvorrichtungen für die Arretierung der Kugelgelenke 2, wobei alle Klemmvorrichtungen an die Anschlussleitung angeschlossen sind.
Der Haltearm ist auf der einen, und zwar der proximalen Seite mit einem Lagerbock 4 an eine Stativstange 5 montiert, welche wiederum mit einer Schraubklemme 6 auf einer Schiene 7, beispielsweise seitlich an einem Operationstisch angeordnet, aufgesetzt und manuell fixierbar ist. Dabei ist die Stativstange 5 in der Schraubklemme 6 axial verschieb-, schwenk- und drehbar. Der Lagerbock 4 ist hingegen auf der Stativstange 4 dreh- und axial verschiebbar. Lagerbock 4 und Schraubklemme 6 sind mit je einer Klemmvorrichtung, vorzugsweise einer Klemmschraube 8, ausgestattet auf der Stativstange 5 manuell arretierbar.
Auf der anderen, der distalen Seite mit einer in 1 schematisch dargestellten Instrumentenaufnahme 19 verbunden. Sie dient zur Aufnahme von Werkzeugen 20 aller Art, insbesondere medizinischen Werkzeugen und Instrumenten, aber auch Kameras, Endoskope, Lichtquellen oder Sensoren.
Der Haltearm mit den genannten distal und proximal anschließenden Komponenten bilden gemeinsam eine Haltevorrichtung.
Nicht in 1 dargestellt ist eine partielle oder vollständige Sterilverpackung für die Haltevorrichtung, welche aus Sterilitätsgründen während eines chirurgischen Eingriffs vor allem dann erforderlich ist, wenn der Haltearm thermisch nicht sterilisierbar ist. Auch wenn das Fluid für die hydraulischen Klemmvorrichtungen der Kugelgelenke eine für einen Sterilisierungsaufwand ausreichende Temperaturbeständigkeit aufweist, empfiehlt es sich, zumindest die Kugelgelenke steril zu verpacken und damit möglichen Leckagen vorzubeugen. Als Fluid eignen sich grundsätzlich alle imkompressiblen Medien, vorzugsweise aber Hydraulikflüssigkeiten, -pasten oder -fette.
2 zeigt ein Kugelgelenk mit Klemmvorrichtung in einer Schnittdarstellung. Sie besteht im wesentlichen aus einem Kugelelement 9, welche in einem Gehäuse 10 in einer Kugelführung 11 geführt ist. Das Gehäuse 10 sowie das Kugelelement 9 bilden konstruktiv mit je einem Armsegment 1 eine Einheit.
Die Klemmvorrichtung umfasst einen Kolben 12, welcher im Gehäuse konzentrisch zu einer Symmetrieachse 13 angeordnet und verschiebbar von einer Druckfeder 14 gegen das Kugelelement 9 und gemeinsam mit diesem gegen die Kugelführung 11 vorgespannt ist. Als Druckfeder eignen sich insbesondere mehrere aufeinander gestapelte Tellerfedern.
Die Anschlussleitung 15 wird durch ein Hohlvolumen in den Armsegmenten 1 gebildet, wobei für eine fluidische Überbrückung der Kugelgelenke einerseits diese sich in den Kugelsegmenten fortgeführt werden und andererseits der Druckzylinder 12 als Ringzylinder gestaltet ist. Von entscheidender Bedeutung ist dabei, dass sich das Volumen in der Anschlussleitung während einer Verstellung eines Kugelgelenkes nicht verändern darf. Dichtungen 16 verhindern oder behindern Leckagen am Kolben 12.
Die abdichtende Zustellschraube 3 greift in die Anschlussleitung 15 durch Einschrauben ein, wobei das Volumen der Anschlussleitung 15 verändert wird und die Klemmvorrichtungen angespannt oder gelöst werden. Dabei ist es unerheblich, an welcher Stelle das Volumen verändert wird. Insofern erfolgt eine Positionierung der Zustellschraube 3 am Haltearm nach Handhabungskriterien. 3a und c zeigen beispielhaft zwei mögliche Anordnungen der Zustellschraube 3 jeweils am Gehäuse 10 (vgl. auch 1), während 3b eine Anordnung im Bereich eines Haltearmsegmentes 1 zeigt.
Die Zustellschraube 3 weist in der gezeigten Ausführungsform, wie in 3a bis c dargestellt, optional eine Druckdämpfung in Form eines kleinen Druckstifts 17, welcher bei zunehmenden Fluiddruck zunehmende gegen eine Feder 18 in die Zustellschraube eingedrückt wird. Als Feder eignet sich beispielsweise ein Gummiblock. Anstelle der Druckdämpfung ist auch ähnlich aufgebaut eine Überdrucksicherung einsetzbar, wobei das Federelement gegen eine Komponente auszutauschen ist, welche bei einem bestimmten Druck reversibel oder irreversibel nachgibt. Dabei ist jedoch zu beachten, dass keine losen Partikel oder Bruchstücke in das Fluid gelangen.

1: Haltearmsegment
2: Kugelgelenk
3: Zustellschraube
4: Lagerbock
5: Stativstange
6: Schraubklemme
7: Schiene
8: Klemmschraube
9: Kugelelement
10: Gehäuse
11: Kugelführung
12: Kolben
13: Symmetrieachse
14: Druckfeder
15: Anschlussleitung
16: Dichtung
17: Druckstift
18: Feder
19: Instrumentenaufnahme
20: Werkzeug

Claims

Haltearm, umfassend mindestens zwei hintereinander angeordnete und mit Kugelgelenken (2) gelenkig miteinander verbundene Armsegmente (1), wobei jedes der Kugelgelenke (2) ein Kugelelement (9) aufweist und diese mittels einer auf das Kugelelement (9) wirkende fluidische Klemmvorrichtung in jeder Position arretierbar sind, wobei die Klemmvorrichtung eine hydraulische Klemmvorrichtung mit mindestens einer hydraulischen Anschlussleitung (15) ist, wobei die Klemmvorrichtungen und die Anschlussleitungen (15) steif sind und ein abgeschlossenes Volumen bilden, in dem ein kompressionssteifes Fluid eingefüllt ist, sowie zusätzlich Mittel (3) für eine Verkleinerung des Volumens und zu einem Anspannen der Klemmvorrichtung vorgesehen sind, wobei die zusätzlichen Mittel (3) eine abdichtende Zustellschraube umfasst, welche in das Volumen hineinragend in dieses einschraubbar und herausschraubbar ist und am distalen Ende des Haltearms positioniert ist.
Haltearm nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die hydraulische Klemmvorrichtung mindestens einen Kolben (12), welcher auf das Kugelelement (9) wirkt und dieses gegen eine Kugelführung (11) drückt, aufweist.
Haltearm nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (12) eine Achsensymmetrie um eine Symmetrieachse (13) aufweist, der Kolben (12) entlang der Symmetrieachse (13) lateral bewegbar gelagert ist und die Symmetrieachse (13) durch den Mittelpunkt des Kugelelementes (9) ver läuft.
Haltearm nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugelführung (11) eine Achsensymmetrie um die Symmetrieachse (13) aufweist.
Haltearm nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Armsegmente (1) Hohlräume als integrierte hydraulische Anschlussleitungen (15) aufweisen.
Haltearm nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugelgelenke (2) und die Klemmvorrichtungen hydraulische Überbrückungsleitungen aufweisen, welche die hydraulischen Anschlussleitungen (15) in zwei benachbarten Armsegmenten (1) miteinander hydraulisch verbinden.
Haltarm nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugelgelenke (2) und der Kolben (12) der Klemmvorrichtung Hohlräume als integrierte hydraulische Überbrückungsleitung aufweisen.
Haltevorrichtung für ein medizinisches Instrument, umfassend mindestens einen Haltearm nach einem der vorangegangenen Ansprüche.